Traslocazione del fotosintato

Trasporto floematico• Il processo redistribuisce:

– Fotosintato (zuccheri, 0.3-0.9M)

– Altri composti organici (es. aa, acidi, ormoni)

– Alcune sostanze minerali (K, Mg, fosfato…)

La separazione tra zone dove avviene la fotosintesi e zone dove gli zuccheri vengono utilizzati comporta un trasporto a lunga distanza

REQUIRES A DRIVING FORCE (ma la sola diffusione non basta)

La redistribuzione avviene da:

SOURCE SINK

Sezione di fusto di Ipomea dopo un trattamento con CO2 radioattiva (immagine con autoradiografia)

The label is confined almost entirely to the sieve elements of the phloem

Tronco d’albero dopo asportazione della corteccia(accumulo di sostanza sopra al punto di taglio)

Sezione trasversale un fascio vascolare di trifoglioMeristema primario

Sezione trasversale un ramo di 3 anni di Fraxinus excelsior

Meristema secondario

Sezioni colorate per carboidrati (rosso) e blu di anilina per le proteine

vasi xilematici: morti e con pareti ispessite. Floema: cellule vive

Stelo tagliato ed immerso in una soluzione di Blu di metilene per 1 h + acqua 1 h

Sezioni colorate per carboidrati (rosso) e blu di anilina per le proteine

Stessa cosa per le foglie

Radici

vasi xilematici: morti e con pareti ispessite. Floema: cellule vive

Elemento del tubo cribroso

Placca cribrosaCellula compagna

Floema nelle angiosperme

Le cellule compagne hanno il citoplasma denso (poco vacuolo e molti mitocondri)

Gli elementi del cribro: soluzione molto diluita.Poco materiale denso e adeso alle pareti laterali

Tipi di cellule

Diversi tipi di cellule compagne

• Cellule Compagne:– Cloroplasti con tilacoidi ben sviluppati, parete liscia,

pochi plasmodesmi verso le cellule circostanti. • Le connessioni sono solo con l’elemento del cribro

• Transfer cells (come una CC):– Tilacoidi ben sviluppati– Intrusioni digitiformi – grande superficie di scambio

per un efficace caricamento dei soluti.

• Entrambi i tipi sono specializzati per un caricamento attivo dei soluti dall’apoplasto

• Cellule Intermedie:– Molte connessioni (plasmodesmi) con le cellule intorno

– Adeguati per l’assunzione di soluti via plasmodesmi

• Caratteristiche peculiari– Contengono molti piccoli vacuoli

– Cloroplasti senza granuli di amido

– Tilacoidi poco sviluppati

• In specie con trasporto simplastico degli zuccheri (mancano di un passaggio apoplastico tra mesofillo e elementi del cribro)

Meccanismi protettivi nel floema

• I vasi cribrosi sono sotto pressione!– Quando vengono feriti, la caduta di pressione spinge

tutto il contenuto verso il punto danneggiato– I vasi danneggiati vengono così sigillati

• Il danno può derivare da:– Erbivori o insetti che si nutrono del succo floematico– Danno fisico (vento, estremi di temperatura)

La riparazione in risposta al danno è mediata da: proteina P e Callosio

• Proteine P:– Presente in diverse forme (tubulare, fibrillare,

cristallin – depende dalla specie e età)– Occludono I vasi danneggiati infilandosi nei

pori delle placche cribrose– Rimedio a breve termine– Presente solo nelle angiosperme (non nelle

gimnosperme)

• Callosio:– Soluzion a lungo termine– Glucano -(1,3), prodotto dalla PM degli

elementi del cribro; sigilla gli elementi danneggiati

Sources and sinks• Source (sorgente):

– Qualsiasi zona che produce più fotosintato di quanto sia capace di assorbire/consumare

• Sink (pozzo/scarico): – Tutti le parti che non fanno fotosintesi o che

comunque non producono abbastanza fotosintato per le proprie esigenze

Esempi source: tubero che germoglia, seme in germinazione, foglia matura, corteccia all’inizio della stagione vegetativa...

Sink: foglia giovane (in sviluppo), radici, fusti non più verdi, tuberi e frutti in formazione, germogli...

Source-sink: non è un trasporto generalizzato (una source rifornisce solo

certe sink)

• Although the overall pattern of transport can be stated as source to sink

• Not all sources supply all sinks in a plant

• Certain sources preferentially supply specific sinks

Pattern di traslocazione floematica: Source-to-sink

Fosfato radioattivo fornito alla foglia con freccia. Traslocazione ad altre parti della pianta rivelata tramite autoradiografia

La traslocazione può essere bidirezionale (una stessa foglia trasloca verso le radici e verso le foglie superiori)

Il trasporto source-sink segue alcune “regole”

• Prossimità• Sviluppo (cambia nel corso del tempo)• Connessioni Vascolari• Modificazione delle vie di traslocazione (ad esempio

in seguito a ferite)

Alcune foglie ricevono sia floema che xilema (anche se traspirano poco)

La direzione del floema nelle foglie dipende dallo stadio di sviluppo

Cosa viene trasportato nel

floema?

Gli afidi:

prelevano il succo floematico pungendo singoli tubi cribrosi

Possono essere usati per prelevare campioni di succo

Composizione del succo Acqua

Zuccheri solitamente assenti nel succo

I carboidrati transportati nel floema sono zuccheri non riducenti. Sono meno reattivi

Gli zuccheri riducenti come Glucosio, Mannosio e Fructosio contengono gruppo carbonilico (aldeide o chetone) esposto

Sono più reattivi!

Zuccheri nel

floema

Lo zucchero più comunemente trasportato: saccarosio che è uno zucchero non-riducente– Negli zuccheri NR il chetone o l’aldeide sono

“bloccati”. Negli zuccheri alcool (es. D-Mannitolo) sono ridotti ad alcool

– Nella maggior parte dei casi viene trasportato saccarosio o saccarosio legato a 1-3 unità di Galattosio

Altri composti

• Azoto è presente nel floema principalmente come:– amino acidi (Glutamic acid) – Amidi (Glutamine) o ureidi

• Proteine

Il meccanismo del trasporto floematico

The Pressure-Flow Model

Traslocazione avviene a velocità ≈ 1 m/h

– Diffusione troppo lenta per dare ragione della v

• Il flusso dipende da un gradiente di pressione osmotica tra source e sink.

SourceSugars (red dots) is actively loaded into the sieve element-companion cell complex

Called phloem loading

SinkSugars are unloaded

Called phloem unloading

Vena in foglia sorgente

The Pressure-Flow Model• La traslocazione secondo il modello

richiede:– Movimento laterale tra xilema e floema e poi

al contrario– Presenza della membrana: se non ci fosse, la

differenza di pressione a livello della sorgente e del pozzo si annullerebbe velocemente

• Il movimento dentro al floema è tramite flusso di massa– Non ci sono membrane da attraversare

passando da un elemento dei tube all’altro– Soluti si muovono alla stessa v dell’acqua

• Il movimento dell’acqua dentro il singolo tubo è trascinato da un gradiente di pressione e NON da un gradiente di potenziale idrico

Caricamento del floema:origine dei soluti?

• Triosi fosfati– frutto della fotosintesi diurna sono esportati nel citosol Sacc.

• amido convertito a sacc. durante la notte a livello del mesofillo

• Saccarosio si muove dal mesofillo alla cellula cribrosa più vicina– Definito trasporto a breve

distanza– il fotosintato si muove di poche cellule

Caricamento floematico:come e dove avviene?

• Il caricamento degli zuccheri nei tubi cribrosi avviene attraverso le cellule compagne /trasnfer

• Gli zuccheri sono più concentrati negli elementi dei tubi cribrosi e nelle cellule compagne che nel mesofillo

• Una volta caricati nelle cc o negli elementi dei tubi, gli zuccheri sono trasporti verso i pozzi– La traslocazione verso i tessuti pozzo

è chiamata trasporto a lunga distanza

Costante presenza di plasmodesmi lungo tutta la via

Caricamento simplastico

Passaggio attraverso l’apoplasto

Caricamento apoplastico

Labeled sugar moves from the apoplast into sieve elements and companion cells

C14-labeled sucrose

Fornendo saccarosio marcato con 14C ad una foglia, si nota come la marcatura si accumuli subito nel floema

Come si concentrano i soluti?

Movimento nella via apoplastica richiede:

* Trasporto contro gradiente* Richiede l’azione combinata

della PM H+-ATPasi e di un simportatore saccarosio/H+

Sucrose uptake in the apoplastic pathway requires metabolic energy

Single companion cell from broad-leaved plantain (Plantago major) stained with two fluorescent dyes. Green is specific for the PmSUC2 sucrose–H+ symporter. Blue binds to DNA. The two dyes are found on a single phloem cell, which is always adjacent to a sieve element.

Un simportatore del saccarosio è localizzato nelle membrana delle cellule compagne in questa specie.

Caricamento simplastico• Depende dalla specie

– Valido per specie che NON traslocano saccarosio

• Rchiede la presenza di plasmodesmi tra le diverse cellule lungo la via

• Le cellule compagne intermedie sono parte della via

Sucrose, synthesized in mesophyll, diffuses into intermediary cells

Here Raffinose is synthesized. Due to larger size, can NOT diffuse back into the mesophyll

Raffinose and sucrose are able to diffuse into sieve element

Scaricamento del floema e transizioni sink-to-source

a) Phloem unloading can occur via symplastic or apoplastic pathways

b) Transport into sink tissues requires metabolic energy

c) The transition of a leaf from sink to source is gradual

La transizione da pozzo a sorgente è graduale

La CO2 marcata con 14C rimane nella foglia quando questa è giovane, ma viene esportata quando la foglia è matura (e la foglia non impressiona più la lastra)

Scaricamento floematico• Avviene in tre fasi

• (1) Sieve element unloading:– Transported sugars leave the sieve elements of sink tissue

• (2) Short distance transport:– After sieve element unloading, sugars transported to cells

in the sink by means of a short distance pathway

• (3) storage and metabolism:– Sugars are stored or metabolized in sink cells

Phloem unloading• Anche questo può avvenire per via simplastica o apoplatica

• Varia a seconda dell’organo (root tips and young leaves) del tessuto di immagazzinamento (roots and stems) o degli organi riproduttivi

• Simplastico:

• Sembra che avvenga attraverso la sola via simplastica in foglie giovani delle dicot

Electron micrographs of intermediate vascular bundles in a sink barley leaf. A, Overview of vascular bundle. Two thick-walled SEs (black circles) occur adjacent to xylem elements (X). Four thin-walled SEs (white circles) and associated CCs are also shown. A complete symplastic pathway (darts) is evident between the upper thick-walled SE and the bundle sheath (BS). Scale = 10 µm. B, Pore-plasmodesma connection between a thick-walled SE and CC (dart). Note that the CC is also connected to a vascular parenchyma element by branched plasmodesmata (white dart). Scale = 10 µm. C, Plasmodesmatal connections between a thick-walled SE and vascular parenchyma element (dart). The parenchyma element is connected to a neighboring cell by simple plasmodesmata (white darts). Scale = 10 µm. D, Pore-plasmodesma connection between a thin-walled SE and its CC (dart). The CC is in turn connected to a vascular parenchyma element (white dart). Scale = 10 µm.

Haupt et al. (2001) Evidence for Symplastic Phloem Unloading in Sink Leaves of Barley. Plant Physiol. 125:209-218.

Two thick-walled SEs (black circles)

4 thin-walled SEs (white circles) and associated CCs

Phloem unloading• Apoplastico: tre tipi• (1) Il trasporto dal complesso elemento dei tubi / cellula

compagna alle cellule successive passa nell’apoplasto.• Una volta che gli zuccheri rientrano nel simplasto delle

cellule vicine, il transporto è simplastico

Phloem unloading• Apoplastic: three types• (2) [2A] involves an apoplastic step close to the sieve

element companion cell.• (3) [2B] involves an apoplastic step farther from the sieve

element companion cell• Both involve movement through the plant cell wall

Punto di fuga…

• Interesse biotecnologico:– Manipolare le sink spesso

comporta un aumento di produttività:

• Esempio del Palatinosio(raddoppiato il contenuto di zucchero

nella canna da zucchero)– Il floema è spesso target di

parassiti (che riducono la produttività e spesso sono veicoli di malattie, es. virus e fitoplasmi)

• Proteine insetticide

A recent study with potato plants has shown that apoplastic unloading predominated in elongating stolons (Viola et al. 2001).

Expression of an apoplastic invertase (invGE) revealed by GUS staining. (A) GUS staining is restricted to the apical hook region of an elongating stolon (arrow). (B) Developing tuber showing GUS staining associated with the apical bud region

Un’invertasi apoplastica viene espressa nelle fasi iniziali di formazione dello stolone nella patata.

All’inizio lo scarico avviene per via apoplastica, ma successivamente l’enzima non è più espresso

Il pattern di unloading può cambiare durante lo sviluppo

Tubero di patata: un paradigma di sink

Referenze

• http://www.dbbe.fcen.uba.ar/materias/botanica/Phloem%20Translocation.htm

• http://4e.plantphys.net/chapter.php?ch=10

• Viola, R., Roberts, A. G., Haupt S., Gazzania S., Hancocka, R. D., Marmiroli, N., Machrayd G. C., and Oparkab, K. J. (2001) Tuberization in potato involves a switch from apoplastic to symplastic phloem unloading. The Plant Cell 13: 385-398.